自作ベータ粒子検出器

粒子物理学ほど、私たちが終わりのない 3 次元のピンボール ゲームの中に存在していることを気づかせてくれるものはありません。私たちの周りでは、素粒子が弧を描き、衝突し、楽しそうに飛び回っています。私たちの体内から発生するものもあれば、宇宙の果てまでやってくるものもあります。しかし、この目に見えない騒動を検出するには、高価な機器が必要です。私は、少なくとも一部のピンボールを 15 ドル未満で検出する方法を作りたかったのです。

主な理由は、新しい教育ツールを手に入れるためでした。私はアーヘン工科大学の物理学研究所 III B で博士号を取得していますが、このような検出器があれば、物理学、電子工学、ソフトウェア設計への興味を生かしながら、教育上の義務を果たすのに役立つだろうと気づきました。

幸いなことに、ゼロから始める必要はありませんでした。CERN の S’Cool ラボの Oliver Keller 氏は、安価なシリコン フォトダイオードを使用してアルファ粒子とベータ粒子 (それぞれ空気中を飛び回るヘリウム原子核と自由電子) を検出し、そのエネルギーを推定する DIY 粒子検出器を作成しました。通常、フォトダイオードは、光ファイバー通信で使用される信号など、光に反応するために使用されます。しかし、荷電粒子がフォトダイオードに当たると、電流パルスも生成され、エネルギーの高い粒子ほど大きなパルスが生成されます。実際には、一般的な条件とフォトダイオードの感度を考えると、これは主にベータ粒子の検出を意味します。

ケラー氏の設計では、これらのパルスは増幅され、電圧に変換され、ケーブルを介して検出器のオーディオジャックからラップトップまたはスマートフォンのマイク入力に送信されます。その後、データはデジタル化され、記録されます。

私の同僚が CERN のデバイスを製作していましたが、改良の余地があることに気付きました。アナログ パルス信号をオーディオ ケーブルに通すと、検出器はさまざまなソースからのノイズの影響を受けやすくなります。さらに、この設計では、9 ボルトのバッテリーという独自の電源が必要です。別のバッテリーを用意する手間がかかるだけでなく、デバイスの配線を間違えると、高価なスマートフォンに許容できない電圧が送られることになります。

増幅ノイズの低減

私は、デジタル化をフォトダイオードに持ち込むことでこれらの問題を解決することにしました。フォトダイオードに近づけるほど、対処しなければならないノイズが少なくなります。その後、ノイズ耐性のあるデジタル化データを USB 接続経由で送信し、検出器に電力を供給することもできます。

BetaBoardは3種類のプリント基板を使用しています。カバー [top] ボディボード [middle] 回路トレースがなく、光を遮断し、電磁的に遮蔽された筐体を作成するために使用されます。底部のボードには、フォトダイオード検出器アレイと RP2040 マイクロコントローラが搭載されています。 ジェームズ・プロヴォスト

もちろん、フォトダイオードからの信号をデジタル化するには、オンボード処理能力が必要です。私は RP2040 マイクロコントローラを選択しました。アナログ/デジタル コンバータには既知の問題がいくつかありますが、回避できます。また、このチップには十分な計算能力があり、USB コントローラも内蔵されています。

いわゆる BetaBoard の最初の設計では、RP2040、フォトダイオードのアレイ、および低ノイズ アンプ集積回路のセットを搭載した単一のプリント回路基板を作成しました。光がフォト ディテクタをトリガーしないように、ボードをアルミ テープで巻きました。結果はコンセプトを証明しましたが、オーディオ ケーブルからのノイズは除去できましたが、USB 電源という新しいノイズ源を導入したことが分かりました。

USB 接続からの 1 キロヘルツを超える高周波ノイズは、インターフェイスを流れるデータ信号とポーリング信号から発生します。低周波ノイズは、ホスト コンピューターの AC 電源から発生します (ヨーロッパでは 50 ヘルツ)。アンプの電源電圧ピンの前にローパス RC フィルターを挿入し、回路の残りの部分にコンデンサを多用することで、高周波ノイズを除去しました。ハードウェアで 50 Hz ノイズを除去するのは難しいため、私の解決策は、RP2040 用に作成したソフトウェアにデジタル ハイパス フィルターを統合することでした (ハードウェア ファイルとソフトウェア ファイルは、私の Github リポジトリから入手できます)。

このソフトウェアは、外部へのシリアル インターフェイスも提供します。人間またはプログラムは、USB ケーブルを介してコマンドを送信し、データを取得できます。私は、データを記録し、視覚化を生成する Python スクリプトを作成しました。

私が最初の設計に加えたもう 1 つの改良点は、ボードをアルミテープで包む (または、ケラーのオリジナル バージョンのように容器に入れる) 必要性をなくしたことです。

そのために、私はオリジナルのボードと同じ外形寸法で、回路のない 2 種類の PCB を設計しました。最初のタイプには 2 つの大きな切り欠きがあります。フォトダイオード アレイとアンプの上の空き領域と、RP2040 とそのサポート回路の上の別の領域です。フォトダイオードの切り欠きは、PCB の背面と前面で幅広の金属充填材に囲まれており、充填材はビアで接続されています。このタイプの PCB を 2 つ、コンポーネントを含む回路基板上に積み重ねることで、電磁干渉に対するシールドを提供するエンクロージャを作成しました。

フォトダイオードには、正と負にドーピングされた領域の間に接合部があり、その間に中性空乏層が形成されます。入射光または荷電粒子 [red line] 空乏領域に電荷キャリアが生成されます。これにより、ドープされた領域間の電流にスパイクが発生します。スパイクの高さは粒子のエネルギーに比例します。ジェームズ・プロヴォスト

2 番目のタイプの PCB はスタックのカバーとして機能し、フォトダイオード アレイの上に小さな切り欠きがあり、その上に黒いテープを貼りました。これで光を遮断できるものの、ベータ粒子がフォトダイオードに到達できるようになります。

その結果、世界で最も感度が高いわけではないものの、堅牢な検出器が完成しました。研究用レベルの検出器が特定のベータ線放射源から毎秒100カウントを記録するのに対し、私の検出器は約10カウントしか記録できないと推定しています。しかし、 できる 有意義な測定を行えるようにしたいです。次のステップは、Keller のバージョンのように、アルファ粒子とベータ粒子を検出できるようにすることです。これは、10 ドルのフォトダイオードを改造することで実現できますが、設計の残りの部分で使用されているより安価なフォトダイオードを使用する方法を実験しています。また、検出器の設計者が同席できない教室の環境で使用できるように、ドキュメントの作成にも取り組んでいます。